研究紹介
カーボンナノチューブ(carbon nanotube, CNT)は炭素原子の六方格子からなる円筒構造の物質です．特に原子1層からなるものを単層CNTと呼びます．単層CNTは直径1 nm程度のナノサイズの物質であり，極めて高い電気伝導性・熱伝導性・機械的強度を持つことが知られています．本研究室では，単層CNTを中心とするナノカーボン物質の合成・分析・応用について研究しています．ナノカーボン物質は機械工学・材料工学・物理・化学など様々な分野を横断する学際的な研究領域で，世界中の研究者が日々新たな発見を追い求めています．
- 単層カーボンナノチューブの合成制御
- ヘテロナノチューブの合成と応用
- 単層カーボンナノチューブを用いた太陽電池
- 単層カーボンナノチューブを用いたトランジスタ
- 単層カーボンナノチューブ成長の分子動力学シミュレーション
- 単層カーボンナノチューブの伝熱特性
- 単層カーボンナノチューブの分光分析
- グラフェン・2次元物質の合成と応用
- FT-ICRによる金属クラスターと有炭素分子の反応分析
単層カーボンナノチューブの合成制御
単層CNTの代表的な合成方法として化学気相成長法(chemical vapor deposition, CVD法)が知られています．800℃程度の高温に加熱した金属微粒子に対して炭素を含む分子を供給することで，金属微粒子を成長核として単層CNTが成長します．本研究室は，アルコールを炭素源とすることで高品質な単層CNTが簡易に合成できることを発見し，垂直配向単層CNTの合成を実現してきました．また，単層CNTの電気伝導特性は幾何構造(カイラリティ)により決定されるため，電子・光デバイスへの応用に向けて単層CNTの構造制御合成を目指しています．
S. Murakami et al., Chem. Phys. Lett. 385, 298 (2004).
R. Xiang et al., ACS Nano 7, 3095 (2013).
K. Otsuka et al., ACS Nano 12, 3994 (2018).
H. An et al., Sci. Adv. 5, eaat9459 (2019).
K. Otsuka et al., ACS Nano 16, 5627 (2022).
ヘテロナノチューブの合成と応用
本研究室は異種のナノチューブ物質を同心状に複合化した新たな物質群の開発に成功しました．単層CNTをテンプレートに用い，その表面に窒化ホウ素ナノチューブや二硫化モリブデンナノチューブなどを合成可能となりました．本成果は，これまで2次元系でのみ作製されていたファンデルワールスヘテロ構造を，1次元系において初めて実現するものです．このようなヘテロナノチューブは，物質設計により新たな機能を付与することが可能であり，電子デバイスや構造部材といった様々な応用が期待されます．私たちはヘテロナノチューブの構造制御合成，デバイス応用，物性シミュレーションの研究を進めています．
プレスリリース (2020).
K. Hisama et al., Appl. Phys. Express 13, 015004 (2020).
P. Wang et al., ACS Nano 14, 4298 (2020).
Y. Feng et al., ACS Nano 15, 5600 (2021).
Y. Zheng et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118, e2107295118 (2021).
R. Zhang et al., Carbon 199, 407 (2022).
単層カーボンナノチューブを用いた太陽電池
単層CNTは優れた電気伝導性と光学特性を持つことから，太陽電池への応用が考えられています．本研究室では構造制御した単層CNTフィルムを用い，CNT-Siヘテロジャンクション型太陽電池の作製を報告しています．また，色素増感型太陽電池やペロブスカイト型太陽電池に単層CNTフィルムを適用する研究を行っています．
K. Cui et al., J. Mater. Chem. A 2, 11311 (2014).
T. Sakaguchi et al., MRS Commun. 8, 1058 (2018).
S. Seo et al., J. Mater. Chem. A 7, 12987 (2019).
Y. Qian et al., Adv. Energy Mater. 10, 1902389-1 (2020).
B. Zhang et al., Carbon 205, 321 (2023).
単層カーボンナノチューブを用いたトランジスタ
半導体的な性質を持つ単層CNTは電界効果トランジスタに応用することができます．単層CNTを利用することで，透明でフレキシブルなデバイスの実現が期待されています．本研究室では薄いポリマーフィルム上にCNTトランジスタを作製し，まるめたり曲げたりした後も正常に動作することを報告しています．また，単層CNTを用いたトランジスタは次世代の高性能集積回路に向けても期待されていますが，金属CNTの混在が問題となっています．私たちは合成物中に含まれる金属CNTを選択的に除去する方法や異種原子層物質を組み合わせたデバイス界面制御に関する研究を行っています．
K. Otsuka et al., Nanoscale 6, 8831 (2014).
K. Otsuka et al., ACS Nano 11, 11497 (2017).
S. Matsushita, K. Otsuka et al., ACS Appl. Mater. Interfaces. 15, 10965 (2023).
K. Otsuka, T. Sugihara et al., Nano Res. 16, 12840 (2023).
単層カーボンナノチューブ成長の分子動力学シミュレーション
原子レベルでの単層CNT成長メカニズムを解明するために，古典分子動力学法(molecular dynamics, MD法)によるシミュレーションを行っています．原子間の相互作用を表現するポテンシャル関数を用い，ニュートンの運動方程式に従った金属原子と炭素原子の挙動を分析します．触媒金属上に炭素原子のキャップ構造が形成され，単層CNTとして成長する様子が観察されています．
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Y. Izu et al., ACS Nano 4, 4769 (2010).
K. Hisama et al., J. Phys. Chem. C 122, 9648 (2018).
R. Yoshikawa et al., ACS Nano 13, 6506 (2019).
単層カーボンナノチューブの伝熱特性
単層CNTは非常に高い熱伝導率を有しています．本研究室ではMDシミュレーションにより単層CNTの熱物性を分析しています．また，孤立単層CNTや単層CNTフィルムの熱伝導率を測定する実験，単層CNTを混ぜた高熱伝導率の液体を作製する実験などを行っています．
S. Harish et al., Int. J. Heat Mass Transf. 55, 3885 (2012).
S. Yoshida et al., Nanotechnol. 28, 185701 (2017).
Y. Feng et al., Appl. Phys. Lett. 112, 191904 (2018).
P. Wang et al., Nanotechnology 32, 205708-1 (2021).
Y. Feng et al., Carbon 201, 433 (2023).
単層カーボンナノチューブの分光分析
単層CNTはナノサイズかつ擬一次元的な構造を持つことから，通常のバルク物質とは異なる光物性を持ち，物理的に興味深い研究対象です．同時に，分析ツールとしての確立や，光デバイスへの応用のためにも，単層CNTの分光法の研究が求められています．本研究室では，蛍光分光法，光吸収分光法，ラマン散乱分光法，レイリー散乱分光法などを用いて単層CNTの光物性を研究しています．
Y. Murakami et al., Phys. Rev. Lett. 94, 1 (2005).
Y. Miyauchi et al., Phys. Rev. B 81, 121415 (2010).
グラフェン・2次元物質の合成と応用
グラフェンは炭素原子1層からなる二次元物質で，その発見者が2010年にノーベル賞を受賞するなど，近年非常に注目されています．セロハンテープでグラファイトを剥離することで数μm程度のグラフェンのかけらを得ることができますが，工業的な応用のためにはより大面積にグラフェンを作製する必要があります．私たちは，アルコールを原料としたCVD法を用いて，5 mm以上の単結晶単層グラフェンの合成や，AB積層構造の2層グラフェンの選択合成を行っています．また，グラフェンやその他の2次元物質を構造制御合成し，太陽電池などへ応用する研究を進めています．
X. Chen et al., Carbon 94, 810 (2015).
S. Kim et al., ACS Appl. Mater. Inter. 7, 9702 (2015).
X. Chen et al., Carbon 107, 852 (2016).
H. Arai et al., Nanoscale 12, 10399 (2020).
FT-ICRによる金属クラスターと有炭素分子の反応分析
フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴(FT-ICR)質量分析装置はサイクロトロン運動によりクラスター(原子数十個のかたまり)の質量を分析する装置です．この装置は超伝導電磁石，超高真空チャンバー，パルスレーザーなどから成る装置で，陽子1個分の精度でクラスターの質量を判別できます．私たちは，Coなどの金属クラスターとエタノールなどの有炭素分子の間の化学反応を研究しています．
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S. Inoue and S. Maruyama, Jpn. J. Appl. Phys. 47, 1931 (2008).
